一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液及应用

本发明属于锌离子电池，具体涉及一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液及应用。

背景技术：

1、新能源战略体系的建设和电子技术的飞速发展对储能器件的性能提出了更高的要求。尽管锂离子电池依旧被认为是主流的储能技术，但锂离子电池因锂资源匮乏、价格昂贵以及存在的燃烧和爆炸等安全隐患而饱受争议。

2、相较而言，含水金属离子电池尤其是锌离子电池已成为极有前途的替代品。因为其锌负极具有丰富的储量(是锂的3000倍)、更高的理论容量(质量比容量为820mah g-1，体积比容量为5855mah cm-3)、更低的还原电位(-0.76v vs she)、高离子电导率和高安全性等优点，而使其有望用于电动汽车、智能电网和能源互联网等大规模的储能设备。

3、尽管以koh碱性电解液为主的锌-空气、锌-镍和锌-溴等电池已实现商业化应用。但国内有关中性或弱酸性水系锌离子电池的产业化仍处于起步阶段。主要是因为锌金属在这些温和电解液体系中仍然面临着枝晶生长、析氢副反应和锌腐蚀等共性技术难题。这会严重影响锌基电池的稳定性和长循环寿命，从而限制了其商业化发展的进程。

4、为了稳定zn负极，人们采取了不同的策略。包括新型负电极结构的开发、锌负极表面人工涂层的构建、隔膜的改性及电解液的调控。其中，考虑到实际应用中各种方法与现有电池制备的兼容性和可操作性，在电解液中引入添加剂是最简单且有效的方法。引入的添加剂具有调控锌离子配位结构、均匀电解液/电极界面电场、诱导锌离子均匀沉积和抑制析氢腐蚀等副反应的功能。

5、因此、开发一种能够稳定锌负极且绿色环保的水系电解液添加剂是构建高性能水系锌离子电池的关键之一。目前，未见到有关离子液体n,n-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐(dmp.bf4)和螺双吡咯烷四氟硼酸盐(sbp.bf4)分别作为电解液添加剂来抑制锌负极相关问题和提高器件循环稳定性的相关报道，鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、为了综合解决上述问题，本发明提出一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，该电解液含n,n-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐/螺双吡咯烷四氟硼酸盐的水系锌离子电池电解液添加剂，该添加剂借助阴离子和阳离子的协同作用通过电化学动力学控制和热力学调节来构建稳定的锌金属界面。不但能调节zn2+的溶剂化结构，促进zn2+的转移、脱溶剂化和沉积动力学，而且能优先吸附并分解实现尖端屏蔽并构建具有自修复功能的亲锌疏水原位sei层，实现zn金属(002)晶面择优取向调控并阻断析氢活性位点，从而为抑制枝晶和副反应提供了屏蔽缓冲层。最终提高锌离子电池的电化学性能。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，包括吡咯烷基离子液体添加剂、可溶性锌盐和去离子水溶剂。

4、优选的，所述吡咯烷基离子液体添加剂为n,n-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐或者螺双吡咯烷四氟硼酸盐。

5、优选的，所述水溶性锌盐zn(ch3coo)2、znno3、zn(bf4)2、zncl2、znf4、zn(cf3so3)2、znso4中的一种或一种以上。

6、优选的，所述水溶性锌盐优选为znso4。

7、优选的，所述锌盐的浓度为10～60wt％。

8、优选的，所述锌盐的浓度优选为22wt％。

9、一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液的制备方法，具体为：

10、将dmp.bf4/sbp.bf4添加剂、可溶性锌盐和去离子水混合均匀，搅拌2h后，得到锌离子电池电解液。

11、高电压双吡咯烷离子液体电解液应用于锌离子电池。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

13、1.该电解液含n,n-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐/螺双吡咯烷四氟硼酸盐的水系锌离子电池电解液添加剂，该添加剂借助阴离子bf4-和阳离子n,n-二甲基吡咯烷离子(dmp+)和螺双吡咯烷离子(sbp+)的协同作用通过电化学动力学控制和热力学调节来构建稳定的锌金属界面。不但能调节zn2+的溶剂化结构，促进zn2+的转移、脱溶剂化和沉积动力学，而且能优先吸附并分解实现尖端屏蔽并构建具有自修复功能的亲锌疏水原位sei层，实现zn金属(002)晶面择优取向调控并阻断析氢活性位点，从而为抑制枝晶和副反应提供了屏蔽缓冲层，最终提高了锌离子电池的电化学性能。

14、2.本发明的水系锌离子电池引入适量吡咯烷基四氟硼酸盐离子液体添加剂，明显提高了对称电池的循环寿命，能承受更严峻的测试条件，其能够稳定循环。

技术特征：

1.一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：包括吡咯烷基离子液体添加剂、可溶性锌盐和去离子水溶剂。

2.根据权利要求1所述的一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：所述吡咯烷基离子液体添加剂为n,n-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐或螺双吡咯烷四氟硼酸盐。

3.根据权利要求2所述的一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：所述水溶性锌盐zn(ch3coo)2、znno3、zn(bf4)2、zncl2、znf4、zn(cf3so3)2、znso4中的一种或一种以上。

4.根据权利要求3所述的一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：所述水溶性锌盐优选为znso4。

5.根据权利要求4所述的一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：所述锌盐的浓度为10～60wt％。

6.根据权利要求5所述的一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液，其特征在于：所述锌盐的浓度优选为22wt％。

7.一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液的制备方法，其特征在于：具体为：

8.如权利要求7所述方法制备的高电压双吡咯烷离子液体电解液应用于锌离子电池。

技术总结
本发明属于锌离子电池技术领域，具体涉及一种含吡咯烷基离子液体添加剂的锌离子电池电解液及应用。包括吡咯烷基离子液体添加剂、可溶性锌盐和去离子水溶剂。该电解液含N,N‑二甲基吡咯烷四氟硼酸盐/螺双吡咯烷四氟硼酸盐的水系锌离子电池电解液添加剂，该添加剂借助阴离子和阳离子的协同作用通过电化学动力学控制和热力学调节来构建稳定的锌金属界面。不但能调节Zn<supgt;2+</supgt;的溶剂化结构，促进Zn<supgt;2+</supgt;的转移、脱溶剂化和沉积动力学，而且能优先吸附并分解实现尖端屏蔽并构建具有自修复功能的亲锌疏水原位SEI层，实现Zn金属(002)晶面择优取向调控并阻断析氢活性位点，从而为抑制枝晶和副反应提供了屏蔽缓冲层。最终提高锌离子电池的电化学性能。

技术研发人员：郎俊伟,苏开力买,张兴运,汪妍,胡月
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1